电池反转对便携式设备来说是致命的。然而，许多电路可以防止电池的反向安装和其他引起过流的情况。

电池供电的设备容易出现电池安装落后、意外短路和其他类型的不小心使用的后果。反向电池的影响是至关重要的。不幸的是，这种情况很难防范。

为了使设备能够抵抗反向安装的电池，必须在反向安装时设计机械挡块或电气保护装置，以防止反向安装时产生不良影响。机械保护可以是单向连接器，只有在定向正确的极性时才接受电池。

例如，9V或0电池具有机械上不同的端子，尽管摸索机械连接的用户仍然可以暂时进行反向的电气连接。另一方面，您可以为可充电电池组配置连接器，这样，除非用户修改连接器，否则瞬间反向连接是不可能的。

然而，最大的挑战是由一个或多个单电池供电的应用，如aa碱性电池、镍镉电池和镍氢电池。一般来说，这些电池没有提供机械手段来防止一个或多个电池的反转。对于这些系统，设计人员必须确保任何反向电流都足够低，以避免损坏电路或电池。各种电路可以提供这种保证。

二极管提供最简单的保护

电池反向保护的最简单形式是一个二极管与正供电线串联(图1a)。二极管允许电流从正确安装的电池流向负载，并阻止电流流向反向安装的电池。这种解决方案有两个主要缺点:二极管必须处理满载电流，其正向压降缩短了设备的工作时间。(稳压器输出是一个二极管下降低于电池电压，所以稳压器过早下降。)

如果应用程序要求碱性或其他类型的电池具有相对较高的输出阻抗，你可以防止使用并联(分流)二极管反向安装。图1b中的电路很简单，但远非理想。这种方法既保护了负载，又从短路的电池中吸取了大电流。和以前一样，二极管必须能够处理大电流。

作为改进的电池反转措施，您可以添加pnp晶体管作为电池和负载之间的高侧开关(图2a)。当正确安装电池时，基极引线中的限流电阻会使基极-发射极结正向偏置。后置的电池会使晶体管产生反向偏置，这样电流就无法流动。这种排列比串联二极管更好，因为饱和pnp晶体管比大多数二极管提供更低的压降，从而通过降低功耗提高工作效率。

检查缺点

pnp晶体管较低的电压降也延长了工作时间，因为它允许电池电压放电到较低的水平。这些晶体管提供低成本和低饱和电压，但它们也有缺点。例如，基极电流以V(IN)× I(B)的形式耗散了电池有用能量的一部分，并且对于给定的负载电流，大多数功率pnp晶体管的beta(大约50最大值)需要大量的基极电流。

你必须设计一个足以满足最大负载和最小V(IN)组合的基极电流。这固定了基极电流的值，然后在较轻的负载下导致较低的效率，除非你提供复杂的电路来调制基极电流作为负载电流的函数。这些标准也适用于在负载和电池返回之间使用npn开关(图2b)，但有一个主要区别:对于给定负载电流，功率npn晶体管的高得多的β降低了其基流损耗。

用mosfet代替双极晶体管

对于给定的负载电流，完全增强的MOSFET的低电阻比等效双极晶体管的低电阻降低的电压要小得多。其结果是更低的功耗，这使得MOSFET能够处理比相同尺寸的双极晶体管高得多的负载电流。这一优势导致了n沟道和p沟道逻辑级mosfet的制造，可在5V和3V甚至更低的电源电压下工作。NMOS fet包括Motorola MTP-3055EL, Harris RFD14N05L和Siliconix Si9410DY。PMOS fet的例子是Siliconix Si9433DY和Si9434DY以及National Semiconductor NDS9435。

仔细注意MOSFET在电路中的方向。mosfet有一个本征体二极管，在正向偏置条件下传导电流。对于PMOS场效应管，电流从漏极流到源极，对于NMOS场效应管，电流从源极流到漏极。无论是使用NMOS还是PMOS FET作为低侧或高侧开关，都要将器件的主体二极管定向在正常电流的方向上。然后，一个反向电池反向偏置二极管，并阻止电流的流动。

在大电流应用中，NMOS fet比PMOS fet更有吸引力，因为NMOS fet的导通电阻比相同尺寸的PMOS fet低。由于必须将NMOS场效应管的栅极电压拉到源极以上以获得充分增强，因此NMOS场效应管属于电池返回路径(图3)。因此，如果电池安装正确，电池电压高于10V(逻辑级MOSFET为5V)时，MOSFET将完全打开。反转电池将栅极端子拉低并关闭MOSFET。

低侧开关有一个缺点:流过开关的地返回电流会产生小的电压降，从而干扰电路的工作。另一种选择是高位开关。然而，使用NMOS FET作为高侧开关仍然需要一个超过源电压的栅极驱动，也就是说，一个高于电池电压的栅极驱动。图4显示了一种解决方案，其中电荷泵器件(IC(1))将栅极电压提高到远高于源的水平。当电池安装正确时，该电路充分增强了MOSFET。

在图4中，IC(1)接受3.5V ~ 16.5V的电池电压，并将电池输出调节为(V(BATT)+10V)。该电路允许标准的增强模式NMOS fet在低至3.5V的电池电压下工作。因为充电泵在电池电压上运行，因此也需要防止电池反转，电路在电池的正极和IC的V(CC)端子之间连接一个二极管。

PMOS fet工作在高位，不需要额外的栅极驱动电路。然而，PMOS开关的价格通常是NMOS器件的两倍，其导通电阻几乎是NMOS器件的三倍，其功率处理能力与相似的漏源电压相当。您可以通过5V甚至3V栅极驱动来增强目前可用的PMOS晶体管。

如果电路的电池电压至少为10V，则可以将PMOS场效应管的栅极直接连接到电池回路(图5)。与之前一样，必须将晶体管反向连接(相对于通常的做法)，以使其主体二极管在正常电流流动的方向上定向。这种连接在栅极和漏极之间施加电池电压，但是栅极和源极之间的电压控制通道电阻。体二极管，然而，产生一个源电压一个二极管下降低于漏极当你第一次施加V(BATT)。其结果是硬栅源电压等于-(V(BATT)-V(二极管))，可以快速增强场效应管，使VDS降至所需的最小值。

低电池电压的挑战

对于低于10V但高于2.7V的电池电压，可以使用低电压PMOS FET，如Siliconix Si9433DY或Si9435DY。另一方面，为低于2.7V的电池电压提供电池反转保护可能是一个挑战。一种解决方案是使用双极晶体管，但这会导致基极电流损耗。另一种是使用低阈值PMOS FET和电荷泵来驱动地门极电压(图6)。该电路可以在5V或3.3V输出电压下工作。虽然指定为双单元操作，电路通常以低至1.5V的输入电压开始。

一个或两个电池单元不一定产生足够的栅极源电压来完全打开FET。然而，IC1的升压DC/DC变换器的开关节点驱动一个简单的电荷泵，包括C(1)， D(1)和D(2)，产生足够的驱动用于此目的。当V(IN) = 2V时，栅极驱动器约为-(V(IN)+V(OUT)) = - 7v。

电池反转使CMOS DC/DC转换器类似于正向偏置二极管;变换器通过将栅极电压拉到源上方至少一个二极管降来关闭开关。100千瓦的下拉电阻在140毫秒内释放栅极电容，但负载电荷泵很轻，并且对增强MOSFET没有干扰。同样，电路将MOSFET反向连接，以防止FET的主体二极管在电池反转期间正向偏置。

您还可以使用NMOS低侧开关来保护，通过使用DC/DC转换器输出来提高栅极电压(图7)。当正常调节时，转换器(IC1)将MOSFET的栅极拉到其源上方。如果反向安装电池，负载电阻放电输出滤波电容，通过将栅极和源保持在相同的电位来关闭MOSFET。

另一方面，如果负载轻，您首先正确安装电池，然后快速反转它，输出电容器的充电保持MOSFET上，并允许反向电流流过调节器。对于所示的组件，当电容器通过调节器放电时，这种情况持续约100毫秒。然后，MOSFET关闭并阻断电流流动。

这篇文章的类似版本出现在1996年3月1日的EDN上。